CULTURA|CIENCIA
En el volcán Copahue, ubicado en la Zona Volcánica Sur de los Andes, un grupo de científicos liderado por Raquel Quatrini intenta descifrar con técnicas de metagenómica las estrategias biológicas empleadas por microorganismos extremófilos y las comunidades que estos forman para habitar en zonas inhóspitas para muchas otras formas de vida. Las investigaciones se realizan específicamente en ríos, cascadas y lagunas naturales que tienen su origen en las inmediaciones del cráter del volcán, donde confluyen los fluidos volcánicos ricos en azufre y hierro, con aguas de hielo glacial, configurando un modelo natural para el estudio de la ecología y evolución de ambientes acídicos extremos.
Una expedición de investigadores del Centro Basal Ciencia y Vida, apoyado por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), explora la capacidad de un grupo de bacterias y arqueas para desarrollarse en estos ambientes extremos.
El estudio contempla una serie de campañas de muestreo del sistema hidrogeotermal Caviahue-Copahue-ChanchoCó, para caracterizar, monitorear y modelar el comportamiento de las comunidades microbianas que allí habitan. Actualmente, el grupo trabaja en su tercera colecta de datos y metadatos de diversos sitios de acidez decreciente, en un recorrido de más de 40 km ladera abajo.
Los denominados acidófilos –también conocidos como extremófilos de ambientes acídicos– son microorganismos de características primitivas y que han existido por millones de años en la Tierra. Hoy en día son comunes en áreas hidrotermales y ambientes industriales creados por el hombre. Algunos acidófilos habitan en calderas de acido sulfúrico en ebullición y otros en fangos metálicos de alta toxicidad, características recuerdan a los entornos que dominaban la tierra en el origen de la vida.
La científica Raquel Quatrini.
Por ello, se considera que muchos acidófilos actuales son probablemente muy similares a sus ancestros primitivos, afirmó Raquel Quatrini, quien lidera las exploraciones, que son apoyadas por ANID, y también son fruto de diversas colaboraciones a nivel nacional e internacional.
El término “extremófilo” refiere a cualquier organismo capaz de crecer de forma óptima bajo condiciones ambientales (temperatura, pH, radiación u otras) extremas, es decir, consideradas hostiles, desde una perspectiva antropocentrica, para la gran mayoría de organismos vivos que conocemos, incluidos los humanos. Gracias a estas capacidades, tienen un importante potencial en biotecnología, por ejemplo en el ámbito de la minería.
Para indagar en estas características, los investigadores nacionales utilizarán herramientas de metagenómica, técnica que permite estudiar la estructura y función de una comunidad de microorganismos a partir del las secuencias de nucleótidos recuperadas directamente desde las muestras ambientales.
Quatrini, quien dirige el laboratorio de Ecofisiología Microbiana del Centro Basal Ciencia y Vida, y académica de la Universidad San Sebastián, explicó que la pregunta que guía el proyecto es conocer cuáles son los principios que dan estructura y estabilidad a las comunidades microbianas en ambientes acídicos extremos, además de las características de su propia composición y manifestaciones alternativas.
“Al utilizar la metagenómica dejamos de lado la secuenciación de un organismo único en un afán por conocer sus capacidades metabólicas, su diversidad o su contexto evolutivo general, para mirar la comunidad, y entender cómo varían en proporción y características ciertas poblaciones focales de interés o la comunidad como un todo. En otras palabras, en qué contexto viven, acompañados de quiénes y haciendo qué. Esta técnica implica recolectar células desde muestras complejas, obtener su ADN comunitario y mediante procedimientos moleculares generar librerías de secuenciación”.
Entre los acidófilos más abundantes en este ecosistema volcánico de la Región del Alto BioBio y la provincia de Neuquén, por el lado de Argentina, se encuentran unas bacterias pertenecientes a la clase Acidithiobacillia, llamadas comúnmente aciditiobacilos. Estos microorganismos, de los más usados en biominería, conforman el taxón focal de los estudios. Sin embargo, la exploración en este sistema volcánico también ha ayudado a describir nuevos extremófilos.
“Explorar este tipo de nicho es una buena oportunidad para encontrar microorganismos conocidos con propiedades nuevas o microorganismos nuevos con propiedades desconocidas. Y es que uno de los motivos de interés en la exploración de estas comunidades radica en su potencial biotecnológico, en particular en los ámbitos de la minería, la bioremediación e incluso la salud”, añadió la científica del Centro Basal.
En el ámbito minero, las posibles aplicaciones de los microorganismos, individualmente o en conjunto, van desde la solubilización de minerales para la recuperación de metales de interés comercial (como el cobre, por ejemplo) hasta las llamadas tierras raras, un grupo de elementos químicos utilizados para fabricar productos tecnológicos y armamento.
La observación de las propiedades estructurales y fisiológicas de los extremófilos es fascinante: se encuentran completamente adaptados, de forma altamente selectiva, a unas condiciones ambientales extremas. Con estas características, los extremófilos resultan idóneos para explorar su potencial en la biotecnología, ya que una gran parte de procesos biotecnológicos se desarrollan bajo condiciones hostiles extremas.
La investigación en el Centro Basal Ciencia y Vida apunta a la comprensión de las características a nivel de comunidad de los microorganismos. Pese a que son múltiples los tipos de bacterias, arqueas y microeucariontes que se pueden encontrar en una comunidad biológica, en los ambientes extremos la diversidad es mucho menor, con lo cual también son más abordables. Además, sus metabolismos están bien caracterizados y sus interacciones son mayormente conocidas.
“Por mucho tiempo nos enfocamos en entender la diversidad e historia evolutiva del grupo de los aciditiobacilos, pero ahora los estudiamos desde una perspectiva más bien ecológica. Hay que entender que no viven solos, lo hacen en comunidades, y en ese proceso hay decisiones funcionales que responden al contexto ambiental y biológico del microorganismo focal y su comunidad. Estamos tratando de comprender los roles que cada uno cumple como parte de un conjunto muy bien orquestado”.
La expedición obtendrá muestras de agua y sedimentos recolectados a lo largo de un gradiente ambiental natural en el sistema volcánico. Por ejemplo, en zonas aledañas al cráter del Copahue y áreas geotermales vecinas (como las formaciones de CanchoCó), se encuentran hervideros, fumarolas y barros metálicos de alta temperatura y acidez, en cuyas laderas surgen cuerpos de agua acídicos y ricos en azufre de temperaturas moderadas.
Estos son resultado de la mezcla de los fluidos hidrogeotermales que emanan de la tierra y las aguas de deshielo que escurren por la montaña, para precipitar en el tramo inferior del río que nace del lago Caviahue, formando costras rojizas de minerales secundarios del hierro. Mientras, en su recorrido desde la cordillera hacia la estepa patagónica, el Río Agrio da origen a un sinnúmero de cascadas y lagunas. Estas formaciones varían en sus características ambientales y fisicoquímicas, cambios que quedan evidenciados en los colores, olores y características del sistema, así como en las propiedades de las comunidades microbianas que los habitan, de acuerdo a la descripción de la científica líder del estudio.
“En el lago Caviahue la acidez del sistema supera un valor umbral en el que varios iones se vuelven menos solubles y precipitan. Junto con los cambios en la coloración del sistema vemos cambios en la concentración de diversos elementos químicos en solución. Esto es típico de un fenómeno conocido como drenaje de ácido roca o de mina, y que representa un fenómeno de contaminación ambiental común en países del hemisferio norte donde se desarrollan actividades de extracción minera”.
Copahue en diez puntos: desde formaciones hídricas en la superficie hasta zonas que se asimilan al planeta Marte, al interior del cráter. El proyecto también contempla la extracción de muestras desde el lado argentino, donde también se produce la misma condición de pendiente.
“Cuando uno dice que estas comunidades viven en el volcán mucha gente puede pensar que viven en el magma y no es así. La precisión es que, si así fuera, se fundirían como cualquier molécula viva. Lo que aquí sucede es que el magma de algunos volcanes calienta las napas de agua que están bajo la superficie, y esos fluidos hidrotermales disuelven las rocas en su recorrido hacia la superficie. Al emerger, estos fluidos ricos en sales minerales fertilizan las aguas de deshielo que escurren por la ladera del propio volcán creando auténticos medios de cultivo para microorganismos acidofilos como los que estudia mi grupo de investigación”, expone Quatrini.
En el caso del volcán Copahue, existe además una laguna a nivel del cráter. Esta laguna es hiperacídica, con un pH inferior a 1, y de temperatura muy caliente superando frecuentemente los 80ºC. Es una verdadera “sopa caliente y ácida”, de acuerdo a la descripción de la investigadora, quien detalla que a partir de esta zona nacen vertientes que son puntos de fuga para el agua sub superficial, que emerge a la superficie como un hervidores.
“Eso funde el hielo glacial, y se mezclan aguas hidrogeotermales y glaciares, y dan origen a un curso de agua que baja por la montaña. Ese curso de agua recibe afluentes no ácidos, más bien son aguas de montaña, lo que hace que a medida que desciende se vaya neutralizando el pH, o haciendo menos ácido. Esto genera un gradiente químico en la salinidad del sistema, que nos permite estudiar distintos estados de las comunidades y sus principios de estructura y estabilidad”.
La líder del proyecto remarca que se trata de un sistema modelo para comprender aspectos relativos a la evolución y la ecología de estas comunidades, en particular de un grupo taxonómico de acidófilos que no son solo los primeros descritos en la Tierra, sino que también son los que han tenido más uso a nivel de cultivos de laboratorio.
Estos han crecido para desarrollar tecnología y aplicaciones en biominería, un enfoque dentro de esta industria que utiliza microorganismos en algún proceso de su cadena productiva. La relación entre la actividad de estas comunidades y procesos de carácter industrial está dada porque los acidófilos crecen en condiciones extremas, prácticamente inconcebible para una fisiología eucarionte normal. El agente principal en los estudios, la bacteria aciditiobacilo, tiene forma bacilar y crece en condiciones ácidas y en azufre frío.
“Además de esta acidez de su medio, hay condiciones que también son tóxicas desde la perspectiva de lo que se solubiliza. Hay muchas concentraciones de iones tóxicos, por lo que también se les llama poliextremófilos, porque toleran bajos pH y altas concentraciones de metales, como el cobre y hierro, o metaloides como el arsénico. Son condiciones donde otras formas de vida no prosperan, lo cual permite hacer proyecciones en ambientes extremos, similar a un biorreactor minero donde se necesita solubilizar la roca y degradar la matriz mineral para liberar iones que son de interés comercial”.
El laboratorio liderado por Quatrini lleva varios años estudiando a estos microorganismos y sus comunidades, y cómo diversos factores abióticos, como por ejemplo las variaciones del pH, y bióticos, como por ejemplo la presencia de virus microbianos afecta su adaptación, distribución y función en el ecosistema. El aciditiobacilo, antes descrito en un grupo de bacterias llamado protobacterias, hoy posee un rango propio, es decir, una clase taxonómica gracias a su diversidad genética y fenotípica.
De esta forma, como resultado del uso de tecnología más avanzada, han logrado determinar 17 linajes dentro de este grupo taxonómico. La científica comenta que si bien esto podría parecer muy minero, los estudios son específicamente genómicos: cultivan los microorganismos, los modifican genéticamente y tras siete días de espera pueden obtenerlos para uso en laboratorio.
Al leer su secuencia genética pueden interpretar sus funciones y capacidades, y utilizar distintas aproximaciones de biología molecular para comprender su fisiología. La innovación de los estudios formulados en el Centro Basal Ciencia y Vida radican precisamente en que han logrado generar una profunda comprensión de estos agentes en entornos naturales.
“Hemos estudiado por años distintos aspectos del metabolismo de estos microorganismos para entender cómo operan y más recientemente lo que hemos hecho es mirar cómo funcionan en conjunto entre ellos, a nivel de contextos comunitarios. Nuestro objetivo en proyectos anteriores era entender la biodiversidad de estos grupos en su entorno natural, porque lo que antes se conocía, y estaba secuenciado era lo extraído desde afluentes mineros”.
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